JP5099493B2 - 無線通信ネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、各種の信号を相互に高品質に中継、伝送する無線通信ネットワークシステムに関するものである。

映像情報などの広帯域なデジタル信号を高品質に伝送するための無線通信システムとして、マイクロ波やミリ波を用いた無線ＬＡＮや無線映像伝送システムが開発され、さらに、中小規模の工場や大規模な生産施設内での監視制御や、施設の防犯監視、過疎地域の防災安全監視などの立場から、無線を用いたセンサーネットワークの構成が検討されている。

通常の無線通信装置において、送信機側では、信号処理を行い易い周波数、数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ、場合によっては数ＧＨｚ帯の中間周波数において変調等の処理を行い、局部発振器からの信号と合成し、例えば６０ＧＨｚ帯の伝送周波数へ周波数変換（アップコンバート）して給電線路を経てアンテナから放射する。受信機側では受信アンテナからの無線周波数信号を増幅し、さらに局部発振器からの信号と合成し中間周波数帯へ周波数変換（ダウンコンバート）し、その後、チャンネルの抽出と信号の復調を行う。この構成は、周波数の上昇と共に技術的な困難が伴い、また高安定で十分大きな出力を要求される局部発振器の効率低下、周波数変換装置における損失など無線装置の効率低下といった問題点を有し、さらにコストも増大するため、無線通信ネットワークの実用化と普及の大きな妨げになっている。

これに対し、アンテナと無線周波数回路部を集積化し、低コスト化を目指すアクティブアンテナの試みや、増幅素子を電磁波の放射構造と一体化した放射型発振装置の構成が提案されている。この放射型発振装置の構成は、極めて単純な構成であり、低コストの無線通信ネットワークの構成部品としての応用の可能性が期待される。

無線通信ネットワークの構成として、すでに実用化が進んでいるブルートゥースや、ワイファイ（Ｗｉ−Ｆｉ）という名称で知られる一連のＩＥＥＥ８０２．１１ワイヤレス標準がある。一方で、これらに比べ２桁低速だが、低コストで低電力消費のネットワークが構成できるとされるジグビー（ＺｉｇＢｅｅ）も新しい手段として広まろうとしている。

ジグビーは、ＩＥＥＥ８０２．１５．４の標準に対応する技術であり短距離の低速無線リンクとして魅力的であるが、ブルートゥース、ワイファイと同様に、周波数利用の面では、近年大変込み合っている２．４ＧＨｚ帯の無線システムである。

一方でさらに、高い周波数である６０ＧＨｚ帯ミリ波による広帯域デジタル情報伝送を行う際に、周波数変換装置の局部発振器の位相雑音、周波数安定度が不十分であると、周波数ドリフト、位相ノイズにより広帯域なデジタル信号を高品質に伝送できない問題を解決するために、自己へテロダイン方式の無線通信装置技術及びそれらに基づく無線システム構成技術が開示されている（下記の特許文献１，２参照）。
特開２００５−３４８３３２号公報 特開２００３−１９８２５９号公報

特許文献１，２の自己ヘテロダイン方式では送信機で用いる局部発振器が安価で周波数の不安定なものであっても、これによって生じた周波数ずれや位相雑音は検波時に完全に相殺され、位相雑音と周波数安定性に対する要求が厳しい、ミリ波帯の無線ＬＡＮや無線映像伝送システムに対しても良好に信号が伝送することが確認されている。

さらに、下記の特許文献３では、他のシステムとの中継の用途を含めた無線通信ネットワークシステムを構成する際に必要な周波数の再変換、すなわち中間周波数への変換課程を経て再度無線伝送周波数への変換を行うが、この際、周波数変換装置の局部発振器の位相雑音、周波数安定度の性能が十分でないと、周波数ドリフト、位相ノイズにより広帯域なデジタル信号の品質低下を生じる問題に対応するために、高安定な基準信号を無線で供給しシステムを構成する技術が開示されている。
特開２００３−２４４０１６号公報

また、下記の特許文献４，５及び非特許文献１は、トランジスタを負性抵抗増幅器として用いた平面型共振器の構造からなる放射型発振装置の例を開示しており、非特許文献１では、放射型発振装置を対向させ送受信信号が互いに直交する偏波となる様に放射型発振装置を配置する構成とし、周波数変換用のミキサーダイオードにより受信機として動作させる双方向通信装置の構成を開示している。
特許３１４６２６０号公報 特許３３５５３３７号公報 R.A. Flynt, J.A. Navarro and K. Chang, 'Low Cost and Compact Active Integrated Antenna Transceiver for System Application,' IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol.44, pp.1642-1649, 1996.

また、下記の非特許文献２では、ガンダイオードを発振素子として用い、ガンダイオードのバイアス電圧に高周波電圧を重畳することで周波数変調を生じさせ、同じように作られたガンダイオード発振器に照射し、注入同期現象を起こさせると同時に、周波数変調成分を他方の放射型発振装置に伝達し、ガンダイオード自身のミキサー動作により、双方向の送受信は同時には不可能であるが、高周波信号成分を通信できる技術について開示している。
C.M. Montiel, L. Fan and K. Chang, "A Self-Mixing Active Antenna for Communication and Vehicle Identification Applications," 1996IEEE MTT-S Digest, TU4C pp.333-336, 1996.

上記のように、既存の込み合った無線システムとの干渉や、高密度な無線装置の配置による干渉や共存の問題など多くの未解決な問題を避け、広大な領域の多数の観測点をカバーするセンサーネットワークや、簡易な無線通信ネットワークを実現するための新しい無線装置技術とそれを用いた無線通信ネットワーク構成技術が開発されつつある。

しかし、従来型の無線装置技術と無線通信ネットワーク構成技術では、構成が複雑化し、それに伴いコストも高く付き、また電力消費や信号品質の点でも問題を有し、無線通信ネットワークの実用化と普及に大きな妨げとなっている。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、基本無線通信装置の構成として極めて単純な構成のものを用い、低コスト、低電力消費かつ信号も高品質となる、無線通信システム構成に適した超高周波帯〜ミリ波帯の無線通信ネットワークシステムを提供することを目的とする。

この発明は、以下のようなものである。

（１）各種の信号を相互に中継、伝送する無線通信ネットワークシステムにおいて、超高周波発振用共振器に、負性抵抗を発生するようにトランジスタを集積化させるとともに電磁波を空間へ放射するアンテナの機能を共用させるように構成した放射型発振装置と、上記放射型発振装置にベースバンド信号を出力するベースバンド信号発生部と、送信されてきた信号を受信する受信信号検出部と、を備える無線通信装置を複数分布配置し、それら複数の無線通信装置の各々は、１または複数の指向性ビームを持ち、さらにその複数の無線通信装置は、少なくとも他の一つの無線通信装置との間で引き込み現象を起こす位置に、指向性ビームが相互に対向するように配置され、一の無線通信装置の送出した信号は、その無線通信装置が備える放射型発振装置の発振信号であり、その発振信号周波数は上記ベースバンド信号に応じて変化し、その周波数変化が上記引き込み現象により対向する他の無線通信装置に伝送され、その対向する他の無線通信装置が備える放射型発振装置の発振周波数も変化し、その対向する他の無線通信装置はその変化を受信信号検出部で受信して取り出す、ことを特徴とする。

（２）（１）に記載の無線通信ネットワークシステムにおいて、上記複数の無線通信装置の各々は、１または複数の指向性ビームの方角や等価等方輻射電力を変化させる機能を持つ、ことを特徴とする。

（３）（１）または（２）に記載の無線通信ネットワークシステムにおいて、上記複数の無線通信装置の少なくとも一つは、ベースバンド信号発生部と受信信号検出部の両方または片方を備えていない、ことを特徴とする。

（４）（１）から（３）の何れか１項に記載の無線通信ネットワークシステムにおいて、上記複数の無線通信装置の各ベースバンド信号発生部は、固有のアドレス信号を重畳する機能を持ち、何れの無線通信装置から発した信号であるかを識別できるようになっている、ことを特徴とする。

（５）（１）から（４）の何れか１項に記載の無線通信ネットワークシステムにおいて、上記複数の無線通信装置の各ベースバンド信号発生部は、各種のセンサーまたは他のセンサーネットワークからの信号と接続し、その取得データを転送する機能を持つ、ことを特徴とする。

（６）（１）から（５）の何れか１項に記載の無線通信ネットワークシステムにおいて、当該無線通信ネットワークシステムは、他の有線または無線通信ネットワークと接続され統合的に制御管理される、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の無線通信装置の各々に設けられる放射型発振装置は、動作状態において引き込み現象により同期しており、一の放射型発振装置においてベースバンド信号発生部からの信号が入力された場合、当該信号は当該放射型発振装置の発振信号の周波数を変化させ、その周波数変調された発振信号が電波として送出され無線通信ネットワークとして共有される。そのとき、上記一の放射型発振装置は情報送信側の無線通信装置として機能しており、それ以外の無線通信装置は情報受信側の無線通信装置として機能している。情報受信側の無線通信装置に設けられている放射型発振装置の発振周波数は、上記引き込み現象による同期により、情報送信側の無線通信装置に設けられている放射型発振装置の周波数変化と同様に変化しており、情報送信側から情報受信側へと情報伝送が行われている。情報受信側の無線通信装置の受信信号検出部では、その周波数変化から、送信元のベースバンド信号に相当する情報の受信が行われる。この本発明による無線通信ネットワークシステムでは、ミキサー動作による信号の周波数変換（アップコンバートやダウンコンバート）は行われていなく、放射型発振装置の引き込み現象による同期そのものを、ネットワークにおける情報共有手段として利用しているため、極めて単純な構成であるにも関わらず、比較的高品質の情報伝送が確保できる。また、トランジスタを負性抵抗発振条件となる様に構成した平面型の放射型発振装置では、ガンダイオードを用いた場合に比べ２０〜３０倍以上の高い効率が期待でき、低電力消費であるためバッテリーでの動作も可能であり低コストな構成部品としての無線通信装置を提供できるので、無線通信ネットワークシステムの実用化が期待できる。

また、無線通信装置に設ける放射型発振装置の構成及び放射器構造を選択することで出力ビームを片面方向、双方向、多ビーム型に成形し、組み合わせることで、放射型発振装置の配置によるネットワーク構成は自在となり、多くのセンサーネットワーク、セキュリティネットワーク、通信制御ネットワークなど複雑な設置条件での無線リンクの形成にとって実用性が高く、多方面への応用技術として提供できる。特に、高い指向性ビームを持つモジュールによるミリ波帯の無線通信ネットワークの形成は、他の無線システムとの干渉問題を避け、周波数共存に適し周波数資源の有効利用の面で効果がある。

さらに、無線通信ネットワークシステムにおいて、無線通信装置の各々が、１または複数の指向性ビームの方角や等価等方輻射電力を変化させることができる機能を持つ場合は、引き込み現象による同期の確保あるいは解消を無線通信装置ごとに変動的に設定でき、無線通信ネットワークにおける情報伝送ルートや情報伝送方向などを変化させることができるので、より柔軟性のあるネットワークを効果的に構成できる。

さらにまた、ベースバンド信号発生部と受信信号検出部の両方またはどちらか片方を備えていない無線通信装置を無線通信ネットワーク内に適宜配置し、必要に応じて中継機能専用や、情報送信機能専用、情報受信機能専用の無線通信装置とすることで、無駄の無い、用途に応じた必要最小限のハード構成により無線通信ネットワークシステムを構成できる。

ついで、各放射型発振装置のアドレスが記されることで、本発明の無線通信ネットワークシステムのどの個所からの信号情報であるかが容易に識別できる。

また、複数の無線通信装置の各ベースバンド信号発生部に、各種のセンサーまたは他のセンサーネットワークからの信号と接続し、その取得データを転送する機能を持つことで、低消費電力、高品質、低コストの超高周波帯〜ミリ波帯のセンサーネットワークが実現できる。

また、本発明の無線通信ネットワークシステムが相互に、また他の種類のネットワークと接続されることでより多様な機能が発揮される事が期待される。

本発明による無線通信ネットワーク構成を複数束ねた形で、有線または他の無線通信ネットワークと接続されることにより上位の系として統合的に制御管理されるネットワークシステムが可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の無線通信ネットワークシステムの原理を示す構成図である。この発明は、各種の信号を相互に中継、伝送する無線通信ネットワークシステムであり、図１に示すように、超高周波発振用共振器に、負性抵抗を発生するようにトランジスタを集積化させるとともに電磁波を空間へ放射するアンテナ１１の機能を共用させるように構成した放射型発振装置１と、放射型発振装置１にベースバンド信号を出力するベースバンド信号発生部４と、送信されてきた信号を受信する受信信号検出部７と、を備える無線通信装置１０１を複数有し、その複数の無線通信装置１０１，１０２，１０３のうち、無線通信装置１０１と１０２との間、無線通信装置１０１と１０３との間に、引き込み現象が起きるよう、対向させて配置し、一の無線通信装置１０１の送出した信号は、対向する他の無線通信装置１０２，１０３に伝送され、その対向する他の無線通信装置１０２，１０３はその受信信号検出部８，９で受信して取り出すようになっている。

図１において、放射型発振装置１では、アンテナ１１を兼ねる共振構造に接続されて設けられたトランジスタが、ＤＣバイアス電源１０から供給される直流バイアス電圧において負性抵抗を発生するように構成されている。ＤＣバイアス電源１０から供給されるエネルギーは、放射型発振装置１によって高周波発振エネルギーに変換され、アンテナ１１から空間へ放射される。

無線通信装置１０２の放射型発振装置２、及び無線通信装置１０３の放射型発振装置３は、無線通信装置１０１の放射型発振装置１と基本的に同様であるが、ＤＣバイアス電源１０に関する図中の表記に関し省略してある。無線通信装置１０２の放射型発振装置２、及び無線通信装置１０３の放射型発振装置３は、発振周波数の引き込み現象により、無線通信装置１０１の放射型発振装置１と共通の周波数で発振し、位相同期された状態になる。放射型発振装置１，２及び３にそれぞれ接続するベースバンド信号発生部４，５及び６は、同時にベースバンド信号を出力せず、情報送信側となる放射型発振装置１に接続されているベースバンド信号発生部４がベースバンド信号を出力することで、放射型発振装置１の送出した信号は、対向する他の放射型発振装置２及び３に伝送され受信信号検出部８及び９で取り出される。

なお、この場合の放射型発振装置２及び３は、放射型発振装置１に同期している必要があり、例えば、放射型発振装置２が放射型発振装置１に同期せずに放射型発振装置３に同期している場合は、無線通信装置１０１から無線通信装置１０２へ情報伝送を直接行うことはできない。

ベースバンド信号発生部４が、例えば方形波などのデジタル信号を発生するとして情報伝送の様子を説明する。放射型発振装置１の発振周波数が、デジタル信号の「１」の時にｆ₁、「０」の時にｆ₂であるとすると、対向する他の放射型発振装置２及び３の発振周波数もそれに同期して変化するので、ｆ₁やｆ₂の値をとることになり、受信信号検出部８，９にてそれらの周波数の信号を検出すれば、デジタル情報の伝送を行うことができる。放射型発振装置２及び３の発振周波数の変化から元の方形波を得る場合には、周波数の変化を振幅の変化に変換する回路（ディスクリミネータ）を用いることや、発振周波数の変化による放射型発振装置内部のトランジスタのバイアス条件変化を利用することなどで振幅変化の信号を得、所望の波形整形を行えばよい。なお、ベースバンド信号発生部の出力は、上記のようなデジタル信号に限定されるものではなく、音声のようなアナログ信号でもよい。

図２は、本発明の無線通信ネットワークシステムの構成要素である放射型発振装置が１または複数の指向性ビームを持つ構成に関する説明図である。図２（ａ）は、片面方向の放射パターンを持つ放射型発振装置１２の構成を示す。該放射型発振装置１２は、ごく普通の平面アンテナ構造を有するアンテナ１２１を用いることによって、指向性が低い広角度の図中円形で示す放射パターンW₁₂₁の電磁波を放射する。放射型発振装置１２は、レンズやホーン等の付加的な手段を用いることによって、より高い指向性利得を有する図中楕円形で示す放射パターンＤＷ₁₂₁の電磁波を放射することができる。

図２（ｂ）は、双方向性の放射特性を持つ放射型発振装置１３についての概念図であり、通常スロット型の共振器（アンテナ１３１，１３１）等を用いることにより、双方向性の放射パターンＷ₁₃₁を容易に実現できる。該放射パターンＷ₁₃₁は、上記レンズやホーン等の付加的な手段を用いて放射型発振装置１３を構成することによって、放射パターンＤＷ₁₃₁のように指向性利得を高めることができる。また、上記レンズやホーン等の付加的な手段を所望の一方のビーム側に用いることにより、ＤＷ₁₃₂のような一方の指向性利得を他方のそれよりも高めたものとすることができる。

図２（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、多ビーム化されたパターンの電磁波を放射する放射型発振装置１４，１５及び１６の構成を示す。図２（ｃ）の放射型発振装置１４は、放射パターンを決めるアンテナ部に付加的な構造を組み合わせたり、アンテナ部に変形を加えたりすることで、アンテナ１４１が所定の角度で２方向に取り付けられているかのように、所定の２方向に高い指向性利得を有する放射パターンDW₁₄₁の電磁波を放射する無線通信装置を表している。

図２（ｄ）は、放射型発振装置１５の共振器を兼ねるアンテナに、図２（ｃ）とは異なる変形を加えるか、又は異なる付加的な構造を加えることで、３方向のビームを持つ無線通信装置を構成した場合であり、アンテナ１５１が所定の角度で３方向に取り付けられているかのように、所定の３方向に指向性利得を有する放射パターンDW₁₅₁を持つ無線通信装置を表している。

同様に、図２（ｃ）の２方向ビームの放射パターンを持つ放射型発振装置を両面放射型として用いることで、図２（ｅ）に示す４方向ビーム放射特性を持つ無線通信装置が実現できる。この場合、放射型発振装置１６は、所定の４方向に高い指向性の放射パターンDW₁₆₁を持つ無線通信装置として、それぞれの方向へ電磁波が放射され、それぞれの方向の無線通信装置と相互作用し無線リンクを形成できる。

また、これら多ビーム化されたパターンの電磁波放射する場合においても、所望のビームの方向のみに指向性利得を持つよう上記レンズやホーン等の付加的な手段を用いることにより、例えば図２（ｃ）に示す放射パターンDW₁₄₂や図２（ｄ）に示す放射パターンDW₁₅₂、図２（ｅ）に示す放射パターンDW₁₆₂のように、所望のビームについてのみ指向性利得を高めることができる。

上記放射型発振装置１２は単方向性の放射パターンを、放射型発振装置１３は双方向性の放射パターンを持つ標準的な構成であり、さらに上記放射型発振装置１４，１５及び１６は、いずれもアンテナ技術で用いられるスロット構造やパッチ構造の複数配置により生じる特性を利用することで実現できる。

図２（ａ）〜（ｅ）の放射パターンは、本発明による無線通信ネットワークシステムの構成要素としての放射型発振装置の電磁波の放射パターンの概念を例示したものである。本発明においては、一般的な多ビームアンテナパターン、または広角度な放射パターンを組み合わせ、立体構成を含めた種々の電磁波の放射パターン構成技術を組み合わせることが可能であることはもちろんである。

図３は、本発明の無線通信ネットワークシステムの構成要素である無線通信装置が、１または複数の指向性ビームを持ち、そのビームの方角や等価等方輻射電力を変化させることができる機能を持つ場合においての無線通信装置の構成例である。ビームの方角や等価等方輻射電力を所望の特性に変化させることは、無線通信装置が備える放射型発振装置のアンテナ部そのものや、それに付加したレンズやホーンなどの方向や開口を機械的動作によって変化させることで実現できる。あるいは、放射型発振装置の近くに電気的制御で電気長やインピーダンス特性が変化する付加的構造を設けたり、複数の放射型発振装置を使用してのフェイズドアレーアンテナ技術を用いたりすることなどで、放射面部の信号の振幅や位相分布を制御すれば実現できる。

図３（ａ）の無線通信装置２２０は、一つの放射型発振装置２２の放射に電磁界的な影響を与えるよう、その放射部の周辺に、ダイオードやトランジスタなどのインピーダンス可変素子２２ｓを接続した寄生アンテナ素子２２ｐを複数設け、その中から所望のインピーダンス可変素子に制御信号を加えて所望の寄生アンテナ素子のインピーダンスを変化させ、ビームの制御を行えるようにしたものである。

図３（ｂ）の無線通信装置２３０，２４０は、複数の放射型発振装置２３，２４をアレー状に配置して同期させ、それぞれの放射型発振装置の位相差関係を電気的に制御できる位相器部２３ｈ，２４ｈを設けた、一般的なフェイズドアレーアンテナ技術を用いてビームの制御を行えるようにしたものである。

また、図３（ａ）や図３（ｂ）のような放射部の信号の振幅や位相分布を制御するものではなく、図３（ｃ）の無線通信装置２５０のように、所望の固定ビームを有する放射型発振装置２５を複数備え、それらを所望の方角にビームが向くよう構成して一つの無線通信装置２５０を成し、所望の方角にビームが向いている放射型発振装置のみを外部信号で選択して動作させることで、ビームの制御を行えるようにしてもよい。

図４、図５及び図６は、本発明の無線通信ネットワークシステムの構成例を示す図である。この無線通信ネットワークシステムを構成する無線通信装置１２０ａ〜１２０ｅの放射型発振装置１２ａ〜１２ｅは、図２（ａ）の放射型発振装置１２と同様の方法で構成され、無線通信装置１３０ａ，１３０ｂの放射型発振装置１３ａ，１３ｂは、図２（ｂ）の放射型発振装置１３と同様の方法で構成され、無線通信装置１４０ａ，１４０ｂの放射型発振装置１４ａ，１４ｂは、図２（ｃ）の放射型発振装置１４と同様の方法で構成され、無線通信装置１５０ａ，１５０ｂの放射型発振装置１５ａ，１５ｂは、図２（ｄ）の放射型発振装置１５と同様の方法で構成され、また無線通信装置１６０ａの放射型発振装置１６ａは、図２（ｅ）の放射型発振装置１６と同様の方法で構成されている。

なお、上記無線通信装置１２０ａ〜１２０ｅ，１３０ａ，１３０ｂ，１４０ａ，１４０ｂ，１５０ａ，１６０ａ（以下、「１２０ａ〜１６０ａ」とする）は、図１の無線通信装置１０１と基本的に同様の構成を有するが、ベースバンド信号発生部、受信信号検出部及びＤＣバイアス電源に関する図中の表記に関し、便宜上省略してある。また、無線通信装置１２０ａ〜１６０ａは、放射パターンDW_120a〜DW_160aを有する。

図４は、無線通信装置１２０ａが情報送信元となっている状態の無線通信ネットワークシステムの構成例を表している。無線通信装置１５０ａの放射型発振装置１５ａは無線通信装置１２０ａの放射型発振装置１２ａに同期しており、無線通信装置１２０ｂと１６０ａの放射型発振装置１２ｂと１６ａは無線通信装置１５０ａの放射型発振装置１５ａに同期している。以下このような同期に関する順序についての説明は省略するが、矢印付き破線によって図４中に示されている。図４中の放射型発振装置１２ａ〜１２ｅ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１６ａは全て同期しており、全て同一の周波数で発振している。放射型発振装置１２ａの発振周波数を変化させれば、それと同期する他の放射型発振装置１２ｂ〜１２ｅ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１６ａの発振周波数も変化し、その変化が情報として用いられるので、情報送信元の無線通信装置１２０ａの情報は、他の無線通信装置１２０ｂ〜１６０ａに伝送され、無線通信ネットワークとして情報共有がなされる。

図５は、無線通信装置１３０ａが情報送信元となっている状態の無線通信ネットワークシステムの構成例を表している。この場合は、無線通信装置１６０ａの放射型発振装置１６ａと無線通信装置１４０ｂの放射型発振装置１４ｂとが、無線通信装置１３０ａの放射型発振装置１３ａに同期している。この同期に関する順序は、矢印付き破線によって図５中に示されている。ここで、図５の無線通信装置１３０ａ，１６０ａ，１５０ａの放射パターンDW_130a、DW_160a、DW_150aは、添え字が同一ではあるが、図４のそれらとは指向性や角度が異なっている。

図６は、無線通信装置１２０ａ及び１４０ａが情報送信元となっている状態の無線通信ネットワークシステムの構成例を表している。図６において、無線通信装置１６０ａの放射パターンDW_160aは、添え字が同一ではあるが、図４のそれとは指向性や角度が異なっており、無線通信装置１６０ａと無線通信装置１４０ａとの同期が確保されていない状態となっている。この場合、無線通信装置１２０ａを情報送信元とする無線通信ネットワークシステムと、無線通信装置１４０ａを情報送信元とする無線通信ネットワークシステムは、独立した無線通信ネットワークシステムとして使用することができる。

本発明の無線通信ネットワークシステムにおいて、無線通信装置の各々が、１または複数の指向性ビームを持ち、そのビームの方角や等価等方輻射電力を変化させることができる機能を持つ場合は、引き込み現象による同期の確保あるいは解消を無線通信装置ごとに変動的に設定できる。これは、複数個所に存在する他の無線通信装置の中から新たに同期を確保したい無線通信装置のみに選択的に強めの電力を照射して引き込み現象を起こし、一方で、同期を確保する必要の無くなった無線通信装置に対しては照射する電力を弱めて引き込み現象を解消することなどで、同期を確保する相手側無線通信装置を変更できるということである。例えば、上記の図４で示した無線通信ネットワークシステムの状態を、図５や図６の状態に変化させることなどができ、無線通信ネットワークにおける情報伝送ルートや情報伝送方向などを変化させることができるので、より柔軟性のあるネットワークを効果的に構成できる。

本発明の無線通信ネットワークシステムにおいて、ベースバンド信号発生部と受信信号検出部の両方またはどちらか片方を備えていない無線通信装置を無線通信ネットワーク内に適宜配置し、必要に応じて中継機能専用や、情報送信機能専用、情報受信機能専用の無線通信装置とすることで、無駄の無い、用途に応じた必要最小限のハード構成により無線通信ネットワークシステムを構成できる。

例えば、図４の無線通信装置１２０ａが情報送信機能専用装置であるならば、それに受信信号検出部を備える必要は無い。また、図４の無線通信装置１３０ａが中継機能専用装置であるならば、それにベースバンド信号発生部と受信信号検出部を備える必要は無い。また、図４の無線通信装置１２０ｅが情報受信機能専用装置であるならば、それにベースバンド信号発生部を備える必要は無い。

なお、本発明の無線通信ネットワークシステムを構成する無線通信装置は、効率が高く、数十ｍＷ以下の低電力供給で動作させることができる。そこで、ＤＣバイアス電源の代わりに、マイクロ波による電力伝送や太陽電池等の発電システム或いはエネルギー変換システム、リチウム電池や水素電池等の小型電池等の小型軽量化された電力供給手段を使用して、１０ｍＷ〜２０ｍＷの微小な電力を各無線通信装置に供給することにより、本発明の無線通信ネットワークシステムを連続動作させるように構成することができる。これは、電源供給が困難な場所に設置される無線通信装置に対し有効である。

また、本発明の無線通信ネットワークシステムを構成する複数の無線通信装置の各ベースバンド信号発生部は、固有のアドレス信号を重畳する機能を持ち、何れの無線通信装置から発した信号であるかを識別できるようになっている。

本発明の無線通信ネットワークシステムを構成する無線通信装置の基本回路の具体例とその動作原理及び実験結果を以下に示す。

図７は本発明の無線通信ネットワークシステムを構成する無線通信装置の基本回路の具体例である。トランジスタ５０１のゲートには導体パッチ５０２ａが接続され、ドレインには導体パッチ５０２ｂ及びドレイン電圧供給用のＲＦチョーク回路５０５が接続され、ＲＦチョーク回路５０５とＤＣバイアス電源５１２との間にベースバンド周波数帯負荷５０７が直列に接続されている。ソースは発振条件を満たすインピーダンスの線路５０９を介して接地されている。受信信号出力部５１０とベースバンド信号発生部５１１は、ＲＦチョーク回路５０５とベースバンド周波数帯負荷５０７との間のノード５１５に接続されている。

この基本回路において、導体パッチ５０２ａ，５０２ｂ及びトランジスタ５０１が、図１の放射型発振装置１及びアンテナ１１の一次放射器機能を含めた高周波部に対応し、ベースバンド信号発生部４に対応するベースバンド信号発生部５１１と併せて高周波信号発生器として機能すると同時に、この高周波部はベースバンド周波数帯負荷５０７とＲＦチョーク回路５０５との構成によって信号検出器として作用し、受信信号出力部５１０とあわせ、受信信号検出部７に対応する。また、ＤＣバイアス電源５１２がＤＣバイアス電源１０に対応し、導体パッチ５０２ａと導体パッチ５０２ｂに付加的な構造を組み合わせることでアンテナ１１の指向特性が決定されている。

次に、無線通信装置の動作原理を説明する。

ＤＣバイアス電源５１２から供給される直流エネルギーにより、トランジスタ５０１に負性抵抗が発生し、その負性抵抗と、アンテナを兼ねた共振構造である導体パッチ５０２ａ，５０２ｂとにより、ある共振周波数において発振現象が生じ、高周波エネルギーが生じるとともに空間に放射され、それが高周波信号となる。ここで、ベースバンド信号発生部５１１からある信号が出力されると、発振中のトランジスタ５０１のバイアス条件が変動することによって、発振周波数が変化する。一方、この無線通信装置に外部から到来した高周波信号が入射し、引き込み現象によって同期状態となり、その外部からの高周波信号の周波数が変化した場合、発振中のトランジスタ５０１のバイアス条件も変化する。このバイアス条件の変化が、ベースバンド周波数帯負荷５０７を設けることによって検出され、受信信号出力部５１０から受信信号が出力される。なお、図７において、図１の無線通信装置１０１の受信信号検出部７に相当する機能は、発振中のトランジスタ５０１やベースバンド周波数帯負荷５０７で実現されており、これは放射型発振装置自身が周波数の変化を振幅の変化に変換する復調器機能の一部も担っているということである。

次に、図１に示した無線通信ネットワークシステムを実際に構成し、無線伝送実験を行った結果を説明する。

図７で説明した構成の無線通信装置を３台（１０１，１０２，１０３）試作し、無線通信装置１０１から無線通信装置１０２，１０３に情報伝送を行う実験を行った。無線通信装置１０１〜１０３に備わる放射型発振装置１〜３は、マイクロ波帯（ベースバンド信号の入力が無い場合の発振周波数が１１．３ＧＨｚ）で動作するものである。まず、放射型発振装置２，３には、放射型発振装置１の放射信号が入射され、同期し、放射型発振装置１〜３は共通の一つの周波数で発振する状態にする。

この状態で、無線通信装置１０１のベースバンド信号発生部４から、図８（ａ）に示す正弦波信号（周波数１ＭＨｚ、電圧１００ｍＶ_p-p）を入力し高周波発振信号周波数に変化を生じさせた場合の無線通信装置１０２，１０３の受信信号検出部８，９の時間軸波形を測定した結果（オシロスコープの表示）を図９（ａ）に示す。図９（ａ）の上下の波形は、それぞれ受信信号検出部８，９の時間軸波形であり、無線通信装置１０１のベースバンド信号発生部４からの正弦波信号が無線通信装置１０２，１０３で復調されている事がわかる。また、同様にベースバンド信号発生部４から、図８（ｂ）の方形波信号、（ｃ）の三角波信号（周波数１ＭＨｚ、電圧１００ｍＶ_p-p）を入力し高周波発振信号を生じさせた場合の結果を図９（ｂ）、（ｃ）に示す。これらの結果から、いずれの場合もベースバンド信号発生部４から入力した信号波形が受信信号検出部８，９で再現されており、無線通信装置１０１から無線通信装置１０２，１０３に情報伝送が行われていることがわかる。

本発明の無線通信ネットワークシステムの原理を示す構成図である。 本発明の無線通信ネットワークシステムの構成要素である、１または複数の指向性ビームを持つ放射型発振装置に関する説明図である。 本発明の無線通信ネットワークシステムの構成要素である、１または複数の指向性ビームを持ち、そのビームの方角や等価等方輻射電力を変化させることができる機能を持つ放射型発振装置の構成例を示す図である。 本発明の無線通信ネットワークシステムの構成例を示す図である。 本発明の無線通信ネットワークシステムの構成例を示す図である。 本発明の無線通信ネットワークシステムの構成例を示す図である。 本発明の無線通信ネットワークシステムを構成する無線通信装置の基本回路の具体例である。 無線通信ネットワークシステムを実際に構成し、無線伝送実験を行ったときの送信側無線装置のベースバンド信号発生部の時間軸波形である。 無線通信ネットワークシステムを実際に構成し、無線伝送実験を行ったときの受信信号検出部の時間軸波形である。

１ 放射型発振装置
２ 放射型発振装置
３ 放射型発振装置
４ ベースバンド信号発生部
５ ベースバンド信号発生部
６ ベースバンド信号発生部
７ 受信信号検出部
８ 受信信号検出部
９ 受信信号検出部
１０ ＤＣバイアス電源
１１ アンテナ
１２，１３，１４，１５，１６ 放射型発振装置
１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ 放射型発振装置
２２ 放射型発振装置
２２ｐ 寄生アンテナ素子
２２ｓ インピーダンス可変素子
２３ 放射型発振装置
２３ｈ，２４ｈ 位相器部
２５ 放射型発振装置
１０１，１０２，１０３ 無線通信装置
１２０ａ〜１２０ｅ 無線通信装置
１３０ａ，１３０ｂ 無線通信装置
１４０ａ，１４０ｂ 無線通信装置
１５０ａ 無線通信装置
１６０ａ 無線通信装置
１２１，１３１，１４１，１５１ アンテナ
２２０，２３０，２４０，２５０ 無線通信装置
５０１ トランジスタ
５０２ａ 導体パッチ
５０２ｂ 導体パッチ
５０５ チョーク回路
５０７ ベースバンド周波数帯負荷
５０９ インピーダンス線路
５１０ 受信信号出力部
５１１ ベースバンド信号発生部
５１２ ＤＣバイアス電源
５１５ ノード
ＤＷ₁₂₁〜ＤＷ₁₆₂ 放射パターン
ＤＷ_120a〜ＤＷ_160a 放射パターン
Ｗ₁₂₁，Ｗ₁₃₁ 放射パターン

Claims (6)

1. 各種の信号を相互に中継、伝送する無線通信ネットワークシステムにおいて、
   超高周波発振用共振器に、負性抵抗を発生するようにトランジスタを集積化させるとともに電磁波を空間へ放射するアンテナの機能を共用させるように構成した放射型発振装置と、
   上記放射型発振装置にベースバンド信号を出力するベースバンド信号発生部と、
   送信されてきた信号を受信する受信信号検出部と、
   を備える無線通信装置を複数分布配置し、それら複数の無線通信装置の各々は、１または複数の指向性ビームを持ち、さらにその複数の無線通信装置は、少なくとも他の一つの無線通信装置との間で引き込み現象を起こす位置に、指向性ビームが相互に対向するように配置され、
   一の無線通信装置の送出した信号は、その無線通信装置が備える放射型発振装置の発振信号であり、その発振信号周波数は上記ベースバンド信号に応じて変化し、その周波数変化が上記引き込み現象により対向する他の無線通信装置に伝送され、その対向する他の無線通信装置が備える放射型発振装置の発振周波数も変化し、その対向する他の無線通信装置はその変化を受信信号検出部で受信して取り出す、
   ことを特徴とする無線通信ネットワークシステム。
2. 上記複数の無線通信装置の各々は、１または複数の指向性ビームの方角や等価等方輻射電力を変化させる機能を持つ、請求項１に記載の無線通信ネットワークシステム。
3. 上記複数の無線通信装置の少なくとも一つは、ベースバンド信号発生部と受信信号検出部の両方または片方を備えていない、請求項１または２に記載の無線通信ネットワークシステム。
4. 上記複数の無線通信装置の各ベースバンド信号発生部は、固有のアドレス信号を重畳する機能を持ち、何れの無線通信装置から発した信号であるかを識別できるようになっている、請求項１から３の何れか１項に記載の無線通信ネットワークシステム。
5. 上記複数の無線通信装置の各ベースバンド信号発生部は、各種のセンサーまたは他のセンサーネットワークからの信号と接続し、その取得データを転送する機能を持つ、請求項１から４の何れか１項に記載の無線通信ネットワークシステム。
6. 当該無線通信ネットワークシステムは、他の有線または無線通信ネットワークと接続され統合的に制御管理される、請求項１から５の何れか１項に記載の無線通信ネットワークシステム。

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