JP5141587B2 - 通信装置、通信制御方法、及び通信システム - Google Patents

Description

本発明は、通信装置、通信制御方法、及び通信システムに関する。

近年、ミリ波と呼ばれる高周波の電磁波を用いて無線通信の通信速度を高速化させるための新たな通信方式の開発が進められている。ミリ波の波長は１０ｍｍ〜１ｍｍ、周波数は３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚとされており、例えば６０ＧＨｚ帯などにおいてＧＨｚ単位でのチャネルの割当てが可能である。

一般的に、ミリ波は、マイクロ波に比べて直進性が強く、反射時の減衰が大きいという特性を有している。そのため、ミリ波通信での無線の伝達経路は、主に直接波又は１回程度の反射波となる。また、ミリ波は、自由空間伝搬損失が大きい（電波到達距離が短い）という特性も有している。そのため、ミリ波を用いて無線通信する場合には、マイクロ波を用いる場合と比較して空間分割をし易いという利点がある一方、通信距離が短くなるという側面もある。

このようなミリ波の弱点を補い、ミリ波を用いた高速な無線通信をより多くの場面で活用するためには、送受信装置のアンテナに指向性を持たせ、その送信ビーム及び受信ビームを通信相手の位置する方向に向けて通信距離を長くすることが考えられる。ビームの指向性は、例えば、送受信装置にそれぞれ複数のアンテナを設け、アンテナごとの重みを変化させることで制御され得る。例えば、下記特許文献１では、音波、赤外線又は光などの通信媒体を用いて予め制御信号を交換し、アンテナの最適な指向性を学習した上でミリ波での無線通信を行う手法が開示されている。

特開２０００−３０７４９４号公報

しかしながら、アンテナの最適な指向性を学習する従来の手法では、１パケットを送受信する度に送信側でアンテナの指向性を変化させ、受信側でパケットの受信結果に応じて最適な指向性を決定していた。この場合、ビームパターンの数だけパケットの送受信が必要であり、学習に要する時間が増大し、スループットが低下する可能性があった。

そこで、本発明は、ミリ波通信に用いるべきアンテナの指向性を高速に学習することのできる、新規かつ改良された通信装置、通信制御方法、及び通信システムを提供しようとするものである。

本発明のある実施形態によれば、第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部と、前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部と、を備え、前記第１無線通信部は、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を受信した場合に、当該指示信号に基づいてビーム学習用信号の受信開始時点を決定し、前記第２無線通信部は、前記第１無線通信部により決定された前記受信開始時点から前記ビーム学習用信号の受信を開始し、受信した前記ビーム学習用信号に基づいて最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を決定する、通信装置が提供される。

前記受信開始時点は、前記第１無線通信部による前記指示信号の受信が完了するよりも前の時点とするのが好適である。

また、前記第２無線通信部は、決定した前記パラメータ値を前記第１無線通信部へ通知し、前記第１無線通信部は、通知された前記パラメータ値を含む通知信号を前記指示信号の送信元の装置へ送信してもよい。

また、前記第２無線通信部は、決定した前記パラメータ値を含む通知信号を前記指示信号の送信元の装置へ送信してもよい。

また、前記ビーム学習用信号は、それぞれ異なる指向性パターンと関連付けられた複数の信号系列を含む信号であってもよい。

また、前記ビーム学習用信号は、前記各信号系列とそれぞれ対応する複数のタイムスロットを含む信号であり、前記パラメータは、前記複数のタイムスロットのうち少なくとも１つのタイムスロットを特定するためのパラメータであってもよい。

また、前記ビーム学習用信号は、互いに直交又は擬似直交関係にある前記複数の信号系列が合成された信号であり、前記パラメータは、前記複数の信号系列のうち少なくとも１つの信号系列を特定するためのパラメータであってもよい。

また、前記第２無線通信部は、前記ビーム学習用信号を受信している間に受信ビームの指向性を変化させることにより、受信ビームの最適な指向性を決定してもよい。

また、本発明の別の実施形態によれば、第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部と、前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部と、を備え、前記第１無線通信部は、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を他の通信装置へ送信し、前記第２無線通信部は、前記第１無線通信部による前記指示信号の送信が完了する前に、ビームの指向性の学習に使用されるビーム学習用信号を前記他の通信装置へ送信する、通信装置が提供される。

また、本発明の別の実施形態によれば、第１の通信方式及び前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な送信装置と受信装置との間の通信制御方法であって、前記送信装置から前記受信装置へ、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を前記第１の通信方式に従って送信するステップと、前記送信装置から前記受信装置へ、ビームの指向性の学習に使用されるビーム学習用信号を前記第２の通信方式に従って送信するステップと、前記受信装置において、受信した前記指示信号に基づいて用いて決定される所定の受信開始時点から前記ビーム学習用信号の受信を開始するステップと、前記受信装置において、受信した前記ビーム学習用信号に基づいて最適な指向性を有するビームを特定するパラメータを決定するステップと、を含む通信制御方法が提供される。

また、本発明の別の実施形態によれば、第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部、及び、前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部、をそれぞれ備える送信装置と受信装置とを含み、前記送信装置の前記第１無線通信部は、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を前記受信装置へ送信し、前記送信装置の前記第２無線通信部は、ビームの指向性の学習に使用されるビーム学習用信号を前記受信装置へ送信し、前記受信装置の前記第１無線通信部は、前記指示信号を受信した場合に、当該指示信号に基づいて前記ビーム学習用信号の受信開始時点を決定し、前記受信装置の前記第２無線通信部は、決定された前記受信開始時点から前記ビーム学習用信号の受信を開始し、受信した前記ビーム学習用信号に基づいて最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を決定する、通信システムが提供される。

以上説明したように、本発明に係る通信装置、通信制御方法、及び通信システムによれば、ミリ波通信に用いるべきアンテナの指向性を高速に学習することができる。

一実施形態に係る通信システムの概要を示す模式図である。 一実施形態に係る送信装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る送信装置の第２デジタル部のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。 ビームパターンの一例を示す説明図である。 指示信号及びビーム学習用信号のフォーマットの一例を示す説明図である。 一実施形態に係る受信装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る受信装置の第２デジタル部のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。 一実施形態に係る指向性制御処理について説明するための説明図である。 一実施形態に係る信号の送受信シーケンスの一例を示す説明図である。 一実施形態に係る信号の送受信シーケンスの他の例を示す説明図である。 ビーム学習用信号のフォーマットの他の例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、以下の順序にしたがって当該「発明を実施するための最良の形態」を説明する。
１．通信システムの概要
２．通信装置の構成例
２−１．一実施形態に係る送信装置の構成
２−２．一実施形態に係る受信装置の構成
２−３．信号の送受信シーケンスの例
３．変形例
４．まとめ

＜１．通信システムの概要＞

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム１の概要を示す模式図である。図１を参照すると、通信システム１は、通信装置１００及び通信装置２００を含む。本実施形態において、通信装置１００は、通信装置２００へ後述する所定の信号を送信し、通信装置２００との間の通信を開始する。また、通信装置２００は、通信装置１００から送信される信号を受信し、通信装置１００との間の通信を開始する。そのため、本明細書において、通信装置１００を送信側の装置又は送信装置、通信装置２００を受信側の装置又は受信装置という場合がある。

通信装置１００及び２００は、第１及び第２の通信方式に従って互いに無線通信することができる。このうち、第１の通信方式は、上述したミリ波と比較して直進性が強くなく、反射時の減衰の小さい例えばマイクロ波などの電磁波を用いた通信方式である。第１の通信方式は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇなどの無線ＬＡＮ（Local Area Network）規格に基づく通信方式であってよい。即ち、第１の通信方式に従って無線通信する場合には、通信装置１００及び２００は、送信ビーム及び受信ビームの指向性を考慮することなく互いに通信することができる。一方、第２の通信方式は、上述したミリ波に代表される電磁波であって、直進性が強く反射時の減衰の大きい電磁波を用いた通信方式である。第２の通信方式は、例えば６０ＧＨｚ帯を使用するＶＨＴ（Very High Throughput）規格に基づく通信方式であってよい。即ち、第２の通信方式に従って無線通信する場合には、通信装置１００及び２００は、送信ビーム及び受信ビームを通信相手に向けて無線信号を送受信するのが好適である。

図１の例では、通信装置１００は、第１の通信方式に従って無線信号を送受信するためのアンテナ１１０、及び第２の通信方式に従って無線信号を送受信するための複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎを備える。また、通信装置２００は、第１の通信方式に従って無線信号を送受信するためのアンテナ２１０、及び第２の通信方式に従って無線信号を送受信するための複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎを備える。通信装置１００及び２００は、このような複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎと複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎとを用いて、第２の通信方式に従い、所謂ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）通信を行うことができる。そして、各アンテナを介して送受信される信号の重みを調整することにより、第２の通信方式に従った無線通信時の送受信ビームの指向性が制御される。図１を参照すると、例えば通信装置１００から通信装置２００の方向へ、送信ビームＢｔが向けられている。また、例えば通信装置２００から通信装置１００の方向へ、受信ビームＢｒが向けられている。

なお、通信装置１００及び２００は、例えばＰＣ（Personal Computer）、携帯電話端末、携帯情報端末、音楽プレーヤ若しくはゲーム端末などの端末装置、又はテレビジョン受像機などの家電機器であってよい。また、通信装置１００及び２００は、ブロードバンドルータや無線アクセスポイントなどのネットワーク機器であってもよい。さらに、通信装置１００及び２００は、これら機器に搭載される無線通信モジュールなどであってもよい。

＜２．通信装置の構成例＞
次に、図２〜図８を用いて、図１に示した通信装置１００及び２００の構成の一例を説明する。

［２−１．一実施形態に係る送信装置の構成］
図２は、本実施形態に係る通信装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図２を参照すると、通信装置１００は、アンテナ１１０、第１無線通信部１２０、記憶部１５０、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎ、及び第２無線通信部１７０を備える。また、第１無線通信部１２０は、第１アナログ部１２２、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換部１２４、ＤＡ（Digital-to-Analog）変換部１２６、第１デジタル部１３０、及び制御部１４０を有する。第２無線通信部１７０は、第２アナログ部１７２、ＡＤ変換部１７４、ＤＡ変換部１７６、第２デジタル部１８０、及び制御部１９０を有する。

アンテナ１１０は、第１の通信方式に従った無線通信に使用されるアンテナである。アンテナ１１０は、例えば、ビームの指向性の学習を指示する指示信号をマイクロ波を用いて送信する。また、アンテナ１１０は、例えば、最適なビームパターンの通知を受けるための通知信号を受信し、第１アナログ部１２２へ出力する。

第１アナログ部１２２は、典型的には、第１の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ（Radio Frequency）回路に相当する。即ち、第１アナログ部１２２は、例えば、アンテナ１１０により受信された受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部１２４へ出力する。また、第１アナログ部１２２は、ＤＡ変換部１２６によりアナログ信号に変換された送信信号を周波数変換してアンテナ１１０へ出力する。

ＡＤ変換部１２４は、第１アナログ部１２２から入力されるアナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換し、第１デジタル部１３０へ出力する。ＤＡ変換部１２６は、第１デジタル部１３０から入力されるデジタル信号である送信信号をアナログ信号に変換し、第１アナログ部１２２へ出力する。

第１デジタル部１３０は、典型的には、第１の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第１の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。第１デジタル部１３０は、例えば、制御部１４０からビームの指向性の学習を指示する指示信号が入力されると、当該指示信号を符号化及び変調してＤＡ変換部１２６へ出力する。また、第１デジタル部１３０は、例えば、ＡＤ変換部１２４から上述した通知信号が入力されると、当該通知信号を復調及び復号して制御部１４０へ出力する。

制御部１４０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置を用いて、第１無線通信部１２０の動作全般を制御する。例えば、制御部１４０は、所定のアプリケーションからの要求に応じて、上述した指示信号を第１デジタル部１３０へ出力する。また、例えば、制御部１４０は、第１デジタル部１３０から復号済みの通知信号が入力されると、当該通知信号に含まれる最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を取得し、記憶部１５０に保存する。

記憶部１５０は、例えば、半導体メモリなどの記録媒体を用いて、通信装置１００による通信処理に使用されるプログラムやパラメータ値などを記憶する。例えば、本実施形態において、記憶部１５０は、第２の通信方式に従った第２無線通信部１７０による無線通信の際の最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶することができる。

複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、第２の通信方式に従った無線通信に使用されるアンテナである。複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、典型的には、ＭＩＭＯアンテナとして構成される。即ち、例えば、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、所定の重み係数を用いて重み付けされた無線信号をミリ波を用いてそれぞれ送信する。また、例えば、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎは、ミリ波である無線信号を受信して第２アナログ部１７２へ出力する。

第２アナログ部１７２は、典型的には、第２の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ回路に相当する。即ち、第２アナログ部１７２は、例えば、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎによりそれぞれ受信された複数の受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部１７４へ出力する。また、第２アナログ部１７２は、ＤＡ変換部１７６によりそれぞれアナログ信号に変換された複数の送信信号を周波数変換してアンテナ１６０ａ〜１６０ｎへ出力する。

ＡＤ変換部１７４は、第２アナログ部１７２から入力されるアナログ信号である複数の受信信号をそれぞれデジタル信号に変換し、第２デジタル部１８０へ出力する。ＤＡ変換部１７６は、第２デジタル部１８０から入力されるデジタル信号である複数の送信信号をアナログ信号に変換し、第２アナログ部１７２へ出力する。

第２デジタル部１８０は、典型的には、第２の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第２の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。

図３は、第２デジタル部１８０のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。図３を参照すると、第２デジタル部１８０は、同期部１８１、受信ビーム処理部１８２、復調復号部１８３、符号化変調部１８４、及び送信ビーム処理部１８５を有する。

同期部１８１は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎにより受信された複数の受信信号について、例えばパケットの先頭のプリアンブルに応じて受信処理の開始タイミングを同期させて受信ビーム処理部１８２へ出力する。

受信ビーム処理部１８２は、同期部１８１から入力される複数の受信信号について、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付け処理を行うことにより、受信ビームの指向性を制御する。受信ビーム処理部１８２により使用される重みの値は、例えば、制御部１９０から入力される指向性制御信号により指定される。その代わりに、受信ビーム処理部１８２は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎをアレイアンテナとみなして受信ビームを形成してもよい。

復調復号部１８３は、受信ビーム処理部１８２により重み付けされた受信信号を第２の通信方式に使用される任意の変調方式及び符号化方式に従って復調及び復号し、データ信号を取得する。そして、復調復号部１８３は、取得したデータ信号を制御部１９０へ出力する。

符号化変調部１８４は、制御部１９０から入力されるデータ信号を第２の通信方式に使用される任意の符号化方式及び変調方式に従って符号化及び変調し、送信信号を生成する。そして、符号化変調部１８４は、生成した送信信号を送信ビーム処理部１８５へ出力する。

送信ビーム処理部１８５は、符号化変調部１８４から入力された送信信号から、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付けされた複数の送信信号を生成し、送信ビームの指向性を制御する。送信ビーム処理部１８５により使用される重みの値は、例えば、制御部１９０から入力される指向性制御信号により指定される。その代わりに、送信ビーム処理部１８５は、複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎをアレイアンテナとみなして送信ビームを形成してもよい。送信ビーム処理部１８５により重み付けされた複数の送信信号は、ＤＡ変換部１７６へそれぞれ出力される。

なお、図３には示していないが、第２デジタル部１８０において、さらに複数のアンテナ１６０ａ〜１６０ｎにより受信された受信信号からＭＩＭＯチャネルのチャネル特性を推定し、その推定結果に応じてチャネル等化が行われてもよい。

図２に戻り、通信装置１００の構成の一例についての説明を継続する。

制御部１９０は、例えばＣＰＵなどの演算装置を用いて、第２無線通信部１７０の動作全般を制御する。例えば、制御部１９０は、所定のアプリケーションからの要求に応じて、上述した指示信号が第１無線通信部１２０から送信された後所定の時間の経過後に、ビーム学習用信号を第２無線通信部１７０から送信させる。また、例えば、制御部１９０は、最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶部１５０から取得し、取得したパラメータ値を含む指向性制御信号を上述した第２デジタル部１８０の受信ビーム処理部１８２又は送信ビーム処理部１８５へ出力する。それにより、通信装置１００による第２の通信方式に従った無線通信の際の受信ビーム又は送信ビームが、通信相手の位置する方向へ向けられる。

図４は、通信装置１００が形成することのできるビームパターンの一例を示す説明図である。

図４を参照すると、本実施形態において通信装置１００により形成可能な１０個の送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９が示されている。送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９は、通信装置１００が位置する平面上で３６度ずつ異なる方向への指向性をそれぞれ有している。通信装置１００の送信ビーム処理部１８５は、制御部１９０からの指向性制御信号に応じて、かかる１０個の送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９のうちいずれかの送信ビームパターンを用いて、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎから無線信号を送信させることができる。また、通信装置１００により形成可能な受信ビームパターンも、図４に示した送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９と同様のビームパターンであってよい。通信装置１００の記憶部１５０には、例えば、これらビームパターンを形成するためのアンテナ１６０ａ〜１６０ｎごとの重み係数が予め記憶されている。なお、通信装置１００により形成可能な送信ビームパターン及び受信ビームパターンは、かかる例に限定されない。例えば、三次元空間上の様々な方向に指向性を有する送信ビームパターン又は受信ビームパターンが形成されてもよい。

図５は、通信装置１００から送信される指示信号及びビーム学習用信号の信号フォーマットの一例を示す説明図である。

図５を参照すると、アンテナ１１０から第１の通信方式に従って送信される指示信号は、ヘッダ部１１２、及びデータ部１１８を含む。また、ヘッダ部１１２は、例えば、Ｌ−ＳＴＦ（Legacy-Short Training Field）１１４、及びＬ−ＬＴＦ（Legacy-Long Training Field）１１６を有する。このうち、Ｌ−ＳＴＦ１１４は、主にプリアンブルとしての役割を持ち、受信側でのパケットの検出、自動利得制御、及び同期処理に用いられ得る。また、Ｌ−ＬＴＦ１１６は、主にチャネル推定、及び周波数オフセットの補正に用いられる。データ部１１８には、任意のデータが格納される。

一方、アンテナ１６０ａ〜１６０ｎから送信されるビーム学習用信号は、ＢＴＦ（Beam Training Field：ビーム学習用フィールド）１６２を含む。かかるＢＴＦ１６２は、制御部１９０による制御に応じて、上述した指示信号のうちデータ部１１８がアンテナ１１０から送信されるのと同期してアンテナ１６０ａ〜１６０ｎから送信される。

本実施形態において、ＢＴＦ１６２は、図４に示した各送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９にそれぞれ対応する１０個のタイムスロットＴ０〜Ｔ９により構成される。各タイムスロットＴ０〜Ｔ９では、受信側におけるビームの学習に使用される既知の信号系列が、対応する送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９をそれぞれ形成するための重み係数を用いて重み付けされる。即ち、ビーム学習用信号の送信ビームの指向性は、タイムスロットＴ０〜Ｔ９ごとに順次変化する。従って、通信装置１００の周囲に位置する受信装置では、その位置に応じてビーム学習用信号のいずれかのタイムスロットで受信信号の電力レベルが突出した値となり、最適な送信ビームパターンを決定することができる。なお、既知の信号系列とは、例えばＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）のランダムパターンなどであってよい。

ここで、図５に示した指示信号として、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇなどの標準規格におけるＲＴＳ（Request To Send）やＣＴＳ（Clear To Send）が用いられてもよい。ＲＴＳやＣＴＳを指示信号とする信号の送受信シーケンスについて、後にさらに説明する。

次に、このように送信される指示信号及びビーム学習用信号を受信する通信装置２００の構成について説明する。

［２−２．一実施形態に係る受信装置の構成］
図６は、本実施形態に係る通信装置２００の構成の一例を示すブロック図である。図６を参照すると、通信装置２００は、アンテナ２１０、第１無線通信部２２０、記憶部２５０、複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎ、及び第２無線通信部２７０を備える。また、第１無線通信部２２０は、第１アナログ部２２２、ＡＤ変換部２２４、ＤＡ変換部２２６、第１デジタル部２３０、及び制御部２４０を有する。第２無線通信部２７０は、第２アナログ部２７２、ＡＤ変換部２７４、ＤＡ変換部２７６、第２デジタル部２８０、及び制御部２９０を有する。

アンテナ２１０は、第１の通信方式に従った無線通信に使用されるアンテナである。アンテナ２１０は、例えば、通信装置１００から送信される上述した指示信号を受信する。また、アンテナ２１０は、例えば、後述する処理により決定される最適なビームパターンを通知するための通知信号を送信する。

第１アナログ部２２２は、典型的には、第１の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ回路に相当する。即ち、第１アナログ部２２２は、例えば、アンテナ２１０により受信された受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部２２４へ出力する。また、第１アナログ部２２２は、ＤＡ変換部２２６によりアナログ信号に変換された送信信号を周波数変換してアンテナ２１０へ出力する。

ＡＤ変換部２２４は、第１アナログ部２２２から入力されるアナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換し、第１デジタル部２３０へ出力する。ＤＡ変換部２２６は、第１デジタル部２３０から入力されるデジタル信号である送信信号をアナログ信号に変換し、第１アナログ部２２２へ出力する。

第１デジタル部２３０は、典型的には、第１の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第１の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。さらに、本実施形態において、第１デジタル部２３０は、上述した指示信号が入力されると、図５に示した指示信号のヘッダ部１１２を用いて同期を獲得し、ビーム学習用信号の受信を開始すべき受信開始時点を第２無線通信部２７０の第２デジタル部２８０へ通知する。例えば、予め送信装置と受信装置との間で、指示信号のヘッダ部１１２の所定の位置（Ｌ−ＳＴＦ１１４の先頭、Ｌ−ＬＴＦ１１６の先頭、又はＬ−ＬＴＦ１１６の末尾など）からビーム学習用信号の先頭までの時間間隔が定められていたとする。そうした場合には、第１デジタル部２３０は、指示信号のヘッダ部１１２の上記所定の位置を検出した時点から当該時間間隔が経過した後の時点を受信開始時点と決定することができる。その代わりに、例えば、送信装置において、指示信号のヘッダ部１１２に特定の受信開始時点を指定するデータが含められてもよい。そうした場合には、第１デジタル部２３０は、指示信号のヘッダ部１１２から受信開始時点を指定するデータを取得し、当該データに応じて受信開始時点を決定することができる。第２デジタル部２８０によるビーム学習用信号の受信処理については後にさらに説明する。そして、第１デジタル部２３０は、例えば、ビーム学習用信号を用いて決定された最適なビームパターンを通知するための通知信号が制御部２４０から入力されると、当該通知信号を符号化及び変調してＤＡ変換部２２６へ出力する。

制御部２４０は、例えばＣＰＵなどの演算装置を用いて、第１無線通信部２２０の動作全般を制御する。また、制御部２４０は、後述する第２無線通信部２７０により最適なビームパターンが決定されると、決定された最適なビームパターンを特定するパラメータ値を記憶部２５０から取得し、上述した通知信号に含めて第１デジタル部２３０へ出力する。

記憶部２５０は、例えば、半導体メモリなどの記録媒体を用いて、通信装置２００による通信処理に使用されるプログラムやパラメータ値などを記憶する。例えば、本実施形態において、記憶部２５０は、第２の通信方式に従った第２無線通信部２７０による無線通信の際の最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶することができる。また、記憶部２５０は、例えば、後述する第２無線通信部２７０により決定された送信側の最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶する。

複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、第２の通信方式に従った無線通信に使用されるアンテナである。複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、典型的には、ＭＩＭＯアンテナとして構成される。即ち、例えば、アンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、所定の重み係数を用いて重み付けされた無線信号をミリ波を用いてそれぞれ送信する。また、例えば、アンテナ２６０ａ〜２６０ｎは、ミリ波である無線信号を受信して第２アナログ部２７２へ出力する。

第２アナログ部２７２は、典型的には、第２の通信方式に従った無線信号を送受信するためのＲＦ回路に相当する。即ち、第２アナログ部２７２は、例えば、アンテナ２６０ａ〜２６０ｎによりそれぞれ受信された複数の受信信号を増幅及び周波数変換し、ＡＤ変換部２７４へ出力する。また、第２アナログ部２７２は、ＤＡ変換部２７６によりそれぞれアナログ信号に変換された複数の送信信号を周波数変換してアンテナ２６０ａ〜２６０ｎへ出力する。

ＡＤ変換部２７４は、第２アナログ部２７２から入力されるアナログ信号である複数の受信信号をそれぞれデジタル信号に変換し、第２デジタル部２８０へ出力する。ＤＡ変換部２７６は、第２デジタル部２８０から入力されるデジタル信号である複数の送信信号をアナログ信号に変換し、第２アナログ部２７２へ出力する。

第２デジタル部２８０は、典型的には、第２の通信方式に従って受信信号を復調及び復号するための回路、並びに第２の通信方式に従って送信信号を符号化及び変調するための回路を有する。

図７は、第２デジタル部２８０のより具体的な構成の一例を示すブロック図である。図７を参照すると、第２デジタル部２８０は、同期部２８１、受信ビーム処理部２８２、電力計算部２８３、決定部２８４、復調復号部２８５、符号化変調部２８６、及び送信ビーム処理部２８７を有する。

同期部２８１は、例えば、複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎにより受信された複数の受信信号について、パケットの先頭のプリアンブルに応じて受信処理の開始タイミングを同期させて受信ビーム処理部２８２へ出力する。また、同期部２８１は、上述した第１無線通信部１２０の第１デジタル部２３０からビーム学習用信号の受信開始時点が通知されると、当該受信開始時点から図５に例示したビーム学習用信号の受信を開始する。そして、同期部２８１は、受信したビーム学習用信号を受信ビーム処理部２８２へ出力すると共に、電力計算部２８３に受信電力の計算を指示する。

受信ビーム処理部２８２は、同期部２８１から入力される複数の受信信号について、上述した受信ビーム処理部１８２と同様に、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付け処理を行うことにより、受信ビームの指向性を制御する。そして、受信ビーム処理部２８２は、重み付けされた受信信号を電力計算部２８３及び復調復号部２８５へ出力する。

図８は、受信ビーム処理部２８２による受信ビームの指向性制御処理について説明するための説明図である。

図８を参照すると、通信装置１００から第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号の信号フォーマットの一例があらためて示されている。ビーム学習用信号は、送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９にそれぞれ対応する１０個のタイムスロットＴ０〜Ｔ９により構成されるＢＴＦ１６２を含む。受信ビーム処理部２８２は、かかるビーム学習用信号の各タイムスロットＴ０〜Ｔ９をさらに１０個ずつの区間ＳＴ０〜ＳＴ９に分け、各区間ＳＴ０〜ＳＴ９においてそれぞれ異なる１０通りの受信ビームパターンで受信信号を重み付け処理する。例えば、タイムスロットＴ０の第１区間ＳＴ０は受信ビームパターンＢｒ０、タイムスロットＴ０の第２区間ＳＴ１は受信ビームパターンＢｒ１などと関連付けられる。このような指向性制御処理により、１つのビーム学習用信号において、１０通りの送信ビームパターン×１０通りの受信ビームパターン＝計１００通りの送受信ビームパターンで送受信された受信信号を得ることができる。

図７に示した電力計算部２８３は、同期部２８１からの指示に応じて、上述した計１００通りの送受信パターンで送受信された受信信号の受信電力をそれぞれ計算する。そして、電力計算部２８３は、計算した受信電力値を決定部２８４へ順次出力する。

決定部２８４は、電力計算部２８３から入力される受信電力値に基づいて、最適な送信ビームパターン及び受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値を決定する。最適なビームパターンとは、典型的には、１つのビーム学習用信号について電力計算部２８３から入力される一連の受信電力値が最大値となるビームパターンである。最適な送信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、図５及び図８に示したＢＴＦ１６２のいずれかのタイムスロット番号（Ｔ０〜Ｔ９）であってよい。その代わりに、最適な送信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、送信ビーム処理部２８７により送信信号に乗算される重み付け係数などであってもよい。また、最適な受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、図８に示した区間番号（ＳＴ０〜ＳＴ９）であってよい。その代わりに、最適な受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値とは、例えば、受信ビーム処理部２８２により複数の受信信号にそれぞれ乗算される重み付け係数などであってもよい。決定部２８４は、このように決定したパラメータ値を、制御部２９０へ出力する。

復調復号部２８５は、受信ビーム処理部２８２により重み付けされた受信信号を第２の通信方式に使用される任意の変調方式及び符号化方式に従って復調及び復号し、データ信号を取得する。そして、復調復号部２８５は、取得したデータ信号を制御部２９０へ出力する。

符号化変調部２８６は、制御部２９０から入力されるデータ信号を第２の通信方式に使用される任意の符号化方式及び変調方式に従って符号化及び変調し、送信信号を生成する。そして、符号化変調部２８６は、生成した送信信号を送信ビーム処理部２８７へ出力する。

送信ビーム処理部２８７は、上述した送信ビーム処理部１８７と同様に、符号化変調部２８６から入力された送信信号から、例えば一様分布又はテイラー分布に従って重み付けされた複数の送信信号を生成し、送信ビームの指向性を制御する。送信ビーム処理部２８７により使用される重みの値は、例えば、制御部２９０から入力される指向性制御信号により指定される。送信ビーム処理部２８７により重み付けされた複数の送信信号は、ＤＡ変換部２７６へそれぞれ出力される。

なお、図７には示していないが、第２デジタル部２８０において、さらに複数のアンテナ２６０ａ〜２６０ｎにより受信された受信信号からＭＩＭＯチャネルのチャネル特性を推定し、その推定結果に応じてチャネル等化が行われてもよい。

図６に戻り、通信装置２００の構成の一例についての説明を継続する。

制御部２９０は、例えばＣＰＵなどの演算装置を用いて、第２無線通信部２７０の動作全般を制御する。また、制御部２９０は、第２無線通信部２７０によりビーム学習用信号が受信された場合には、第２デジタル部２８０から出力される最適な送信ビームパターンを特定するためのパラメータ値を記憶部２５０に記憶させる。ここで記憶されたパラメータ値は、第１無線通信部２２０によりビーム学習用信号の送信元の装置（例えば通信装置１００）へ通知信号を用いて通知される。また、制御部２９０は、第２デジタル部２８０から出力される最適な受信ビームパターンを特定するためのパラメータ値を含む指向性制御信号を受信ビーム処理部２８２へ出力し、通信相手の方向への指向性を有する受信ビームを形成させる。さらに、制御部２９０は、受信ビームの形成に使用した値と同じパラメータ値を含む指向性制御信号を送信ビーム処理部２８７へ出力し、同一の方向への指向性を有する送信ビームを形成させてもよい。それにより、例えば通信装置１００と通信装置２００との間で、互いに指向性を通信相手に向けながら第２の通信方式に従って無線通信を行うことが可能となる。

なお、第２無線通信部２７０から第１無線通信部２２０へ記憶部２５０を介して上述したパラメータ値を通知する代わりに、例えば専用の信号線を用いて第２無線通信部２７０から第１無線通信部２２０へ当該パラメータ値が通知されてもよい。

［２−３．信号の送受信シーケンスの例］
図９は、上述した通信装置１００と通信装置２００との間で送受信される信号のシーケンスの一例を示す説明図である。図９を参照すると、時間軸に沿って、通信装置１００（Ｔｘ）及び通信装置２００（Ｒｘ）から送信される信号が順に示されている。

まず、通信装置１００の第１無線通信部１２０から、第１の通信方式に従ったＲＴＳが送信される。また、ＲＴＳの送信と並行して、通信装置１００の第２無線通信部１７０から、第２の通信方式に従ったＢＴＦが送信される。ここでのＲＴＳは上述した指示信号、ＢＴＦはビーム学習用信号に相当する。それにより、通信装置２００において、通信装置１００から通信装置２００へ信号を送信する場合の最適な送信ビームパターン及び受信ビームパターンが決定される。

次に、通信装置２００の第１無線通信部２２０から、第１の通信方式に従ったＣＴＳが送信される。ここでのＣＴＳのデータ部には、例えば、最適な送信ビームパターンを特定するパラメータ値が含められる。この場合、ＣＴＳは、上述した通知信号に相当する。それにより、通信装置１００は、通信装置２００へ信号を送信する際の最適な送信ビームパターンを知ることができる。また、通信装置２００から通信装置１００へ送信されるＣＴＳは、さらに上述した指示信号を兼ねていてもよい。即ち、ＣＴＳの送信と並行して、通信装置２００の第２無線通信部２７０から第２の通信方式に従ったＢＴＦを送信することで、通信装置１００において最適な受信ビームパターンが決定されてもよい。

その後、通信装置１００から通信装置２００へデータが送信され、通信装置２００から通信装置１００へＡＣＫ（確認応答信号）が返信される。このとき、通信装置１００と通信装置２００との間で学習により決定された最適な送受信ビームパターンが使用されるため、直進性が強く電波到達距離の短いミリ波を用いた場合であっても、第２の通信方式に従ってより確実にデータを送受信することができる。

＜３．変形例＞
図１０は、通信装置１００と通信装置２００との間で送受信される信号のシーケンスの他の例を示す説明図である。

図１０の例では、まず、図９の例と同様に、通信装置１００から通信装置２００へ指示信号であるＲＴＳとビーム学習用信号であるＢＴＦが送信される。次に、通信装置２００において最適な送受信ビームパターンが決定され、通信装置２００から通信装置１００へ通知信号であるＣＴＳが送信される。このとき、通信装置２００からＢＴＦは送信されない。その後、通信装置１００から通信装置２００へデータが送信され、通信装置２００から通信装置１００へ第１の通信方式に従ったＡＣＫが返信される。なお、ここでは通信装置２００から通信装置１００へ、通知信号であるＣＴＳが第１の通信方式に従って送信される例を示しているが、通知信号であるＣＴＳは第２の通信方式に従って送信されてもよい。その場合には、通信装置２００の第２無線通信部２７０において、ＲＴＳに基づいて学習された受信ビームパターンと同等の指向性を持つ送信ビームパターンがＣＴＳの送信に使用され得る。

図１１は、ビーム学習用信号の信号フォーマットの他の例を示す説明図である。

図１１を参照すると、ビーム学習用信号は、ＢＴＦ１６４を含む。ＢＴＦ１６４は、それぞれ異なる指向性パターンを有する互いに直交又は擬似直交関係にある複数の信号系列が合成された信号である。例えば、図１１の例では、ＢＴＦ１６４は、拡散符号Ｃ０〜Ｃ９を用いてそれぞれ拡散された、送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９にそれぞれ対応する１０通りの信号系列が合成された信号である。直交又は擬似直交関係を形成する拡散符号Ｃ０〜Ｃ９を用いることで、送信ビームパターンＢｔ０〜Ｂｔ９と関連付けられた信号系列を送信側で合成した場合にも、受信側で合成信号から各信号系列を抽出することができる。それにより、抽出された信号系列ごとに受信電力を計算し、受信電力が最大となる最適な送信ビームパターンを決定することができる。この場合、送信ビームパターンを特定するパラメータは、上述した信号系列のうち少なくとも１つの信号系列を特定する拡散符号又は信号系列の識別子などであってよい。かかるＢＴＦ１６４は、図５に示したＢＴＦ１６２と同様、指示信号のうちデータ部１１８が送信されるのと同期して、第２の通信方式に従って送信される。かかる変形例を用いることにより、ビームパターンの数と同等のタイムスロットを設ける場合と比較してビーム学習用信号のデータ長を短くすることができる。

＜４．まとめ＞
以上、図１〜図１１を用いて、本発明の一実施形態に係る通信装置１００及び２００の構成及びその変形例について説明した。本実施形態によれば、（例えばマイクロ波などを用いる）第１の通信方式に従って送信される指示信号に基づいて、（例えばミリ波などを用いる）第２の通信方式に従って送信されるビーム学習用信号の受信開始時点が決定される。ここで、ビーム学習用信号は指示信号のデータ部の送信と重なる時間において送信されるため、上記受信開始時点は、指示信号の受信が完了するよりも前の時点となる。そして、当該受信開始時点から受信されるビーム学習用信号に基づいて、最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値が決定される。それにより、１つのパケット（例えばＲＴＳ又はＣＴＳなど）が送受信される間に、第２の通信方式に従った無線通信に使用される最適な送受信ビームの指向性を学習することが可能となる。

なお、本明細書では、通信装置１００を送信装置として、通信装置２００を受信装置として説明したが、通信装置１００と通信装置２００の機能を共に備える通信装置が構成されてもよいことは言うまでもない。

また、本明細書では、通信装置２００において受信電力が最大となるビームパターンを最適なビームパターンとして決定する例について説明した。しかしながら、その代わりに、通信装置２００において受信電力の大きい複数のビームパターンが、使用されるべきビームパターンの候補として決定されてもよい。それにより、例えば、複数のビームパターンを複合的に使用してミリ波を用いた無線通信を行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 通信システム
１００ 通信装置（送信側）
１１０ アンテナ（第１の通信方式）
１２０ 第１無線通信部
１５０ 記憶部
１６０ａ〜ｎ アンテナ（第２の通信方式）
１７０ 第２無線通信部
２００ 通信装置（受信側）
２１０ アンテナ（第１の通信方式）
２２０ 第１無線通信部
２５０ 記憶部
２６０ａ〜ｎ アンテナ（第２の通信方式）
２７０ 第２無線通信部

Claims (11)

1. 第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部と；
   前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部と；
   を備え、
   前記第１無線通信部は、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を受信した場合に、当該指示信号に基づいてビーム学習用信号の受信開始時点を決定し、
   前記第２無線通信部は、前記第１無線通信部により決定された前記受信開始時点から前記ビーム学習用信号の受信を開始し、受信した前記ビーム学習用信号に基づいて最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を決定する、
   通信装置。
2. 前記受信開始時点は、前記第１無線通信部による前記指示信号の受信が完了するよりも前の時点である、請求項１に記載の通信装置。
3. 前記第２無線通信部は、決定した前記パラメータ値を前記第１無線通信部へ通知し、
   前記第１無線通信部は、通知された前記パラメータ値を含む通知信号を前記指示信号の送信元の装置へ送信する、
   請求項２に記載の通信装置。
4. 前記第２無線通信部は、決定した前記パラメータ値を含む通知信号を前記指示信号の送信元の装置へ送信する、請求項２に記載の通信装置。
5. 前記ビーム学習用信号は、それぞれ異なる指向性パターンと関連付けられた複数の信号系列を含む信号である、請求項１〜４のいずれかに記載の通信装置。
6. 前記ビーム学習用信号は、前記各信号系列とそれぞれ対応する複数のタイムスロットを含む信号であり、
   前記パラメータは、前記複数のタイムスロットのうち少なくとも１つのタイムスロットを特定するためのパラメータである、
   請求項５に記載の通信装置。
7. 前記ビーム学習用信号は、互いに直交又は擬似直交関係にある前記複数の信号系列が合成された信号であり、
   前記パラメータは、前記複数の信号系列のうち少なくとも１つの信号系列を特定するためのパラメータである、
   請求項５に記載の通信装置。
8. 前記第２無線通信部は、前記ビーム学習用信号を受信している間に受信ビームの指向性を変化させることにより、受信ビームの最適な指向性を決定する、請求項１に記載の通信装置。
9. 第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部と；
   前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部と；
   を備え、
   前記第１無線通信部は、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を他の通信装置へ送信し、
   前記第２無線通信部は、前記第１無線通信部による前記指示信号の送信が完了する前に、ビームの指向性の学習に使用されるビーム学習用信号を前記他の通信装置へ送信する、
   通信装置。
10. 第１の通信方式及び前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な送信装置と受信装置との間の通信制御方法であって：
    前記送信装置から前記受信装置へ、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を前記第１の通信方式に従って送信するステップと；
    前記送信装置から前記受信装置へ、ビームの指向性の学習に使用されるビーム学習用信号を前記第２の通信方式に従って送信するステップと；
    前記受信装置において、受信した前記指示信号に基づいて用いて決定される所定の受信開始時点から前記ビーム学習用信号の受信を開始するステップと；
    前記受信装置において、受信した前記ビーム学習用信号に基づいて最適な指向性を有するビームを特定するパラメータを決定するステップと；
    を含む通信制御方法。
11. 第１の通信方式に従って無線通信可能な第１無線通信部；
    及び、前記第１の通信方式よりも高い周波数帯を使用する第２の通信方式に従って無線通信可能な第２無線通信部；
    をそれぞれ備える送信装置と受信装置とを含み、
    前記送信装置の前記第１無線通信部は、ビームの指向性の学習を指示する指示信号を前記受信装置へ送信し、
    前記送信装置の前記第２無線通信部は、ビームの指向性の学習に使用されるビーム学習用信号を前記受信装置へ送信し、
    前記受信装置の前記第１無線通信部は、前記指示信号を受信した場合に、当該指示信号に基づいて前記ビーム学習用信号の受信開始時点を決定し、
    前記受信装置の前記第２無線通信部は、決定された前記受信開始時点から前記ビーム学習用信号の受信を開始し、受信した前記ビーム学習用信号に基づいて最適なビームパターンを特定するためのパラメータ値を決定する、
    通信システム。
    

Images