JP5687910B2 - 通信装置及び通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信装置及び通信方法に関するものである。

無線通信システムでは、複数のユーザが同一の無線チャネルを使用することがある。同一無線チャネルの使用が同じタイミングで競合した場合、データの衝突が発生し、通信できなくなる恐れがある。このような衝突を回避するために、次世代ＰＨＳ（Personal Handy-phone System）であるＸＧＰ（eXtended Global Platform）や無線ＬＡＮ（Local Area Network）の規格であるIEEE802.11xを採用するシステムでは、ＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）制御に基づく通信チャネル割当制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の通信チャネル割当制御について、図５を用いて説明する。図５のように、基地局ＢＳ１及び基地局ＢＳ２が存在し、移動局ＭＳ１が基地局ＢＳ１のセル内（基地局からの電波が届く領域）Ｃ１に、移動局ＭＳ２が基地局ＢＳ１及び基地局ＢＳ２の双方のセル内Ｃ１及びＣ２に位置しているとする。このような位置関係において、基地局ＢＳ１と移動局ＭＳ１とが無線チャネルＣＨ１を使用して通信を行おうとする場合、まず、基地局ＢＳ１が、他の通信装置（基地局及び移動局）の伝送状況を観測（キャリアセンス：キャリアの有無を観測）する。キャリアセンスは、基地局ＢＳ１の無指向性の単独アンテナでセルＣ１を覆うように行われる。つまり、基地局ＢＳ１のキャリアセンス範囲は、図５の範囲ＣＳ１となる。

移動局ＭＳ２が無線チャネルＣＨ１を使用して基地局ＢＳ２と通信中である場合には、キャリアセンスにより基地局ＢＳ１は、無線チャネルＣＨ１は使用中であると判断する。この状況で基地局ＢＳ１が無線チャネルＣＨ１を移動局ＭＳ１に割り当てると、基地局ＢＳ１及び移動局ＭＳ１間の通信と基地局ＢＳ２及び移動局ＭＳ２間の通信とが干渉する恐れがある。そのため、基地局ＢＳ１は、移動局ＭＳ２が伝送を終了するまで無線チャネルＣＨ１をＭＳ１に割り当てない。そして、基地局ＢＳ１は、移動局ＭＳ２による伝送が行われていないことを確認した後に、無線チャネルＣＨ１を移動局ＭＳ１に割り当て、移動局ＭＳ１との通信を開始する。このようなアクセス方式を採用することにより、IEEE802.11xに対応するシステムは、同一無線チャネルを使用する複数の移動局の電波が干渉する状況を低減している。

このような通信チャネル割当制御が行われるシステムにおいて、基地局が複数アンテナを含むアダプティブアレイアンテナを実装する場合、パケットの送信時には、ＡＡＳ（Adaptive Antenna System）機能（ビームステアリング機能やヌルステアリング機能）が利用される。ビームステアリング機能は、基地局の電波を送信先に集中させる機能であり、これにより、安定した通信が実現される。また、ヌルステアリング機能は、干渉局が存在する方向に電波が飛ばないように、且つその方向からの電波を受信しないように干渉局方向に指向性の谷間（ヌル）を向ける機能である。ヌルステアリング機能により、基地局は、ある無線チャネルで通信を行う通信装置が周囲に存在している場合にも、干渉を引き起こすことなく同一無線チャネルを使用することができる。

特開２００６−２１７４９１号公報

しかし、基地局が複数アンテナを有する場合にも、キャリアセンスでは単独アンテナが使用されることが一般的であるため、セル内で使用されている無線チャネルは全て使用できないものとして判断される可能性が高い。つまり、いずれの無線チャネルが使用できるか否かは、キャリアセンスで決定されることであり、ＡＡＳ機能については考慮されていない。よって、キャリアセンスにより使用できないと判断された無線チャネルであっても、ＡＡＳ機能の利用により問題なく使用できる場合がある。上記のような通信チャネル割当制御システムでは、ＡＡＳ機能の利用により使用できる無線チャネルを使用しないため、周波数利用効率の低下や、ＱｏＳ（Quality of Service）特性の劣化が生じることになる。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、ＡＡＳ機能の利用により使用可能な無線チャネルを特定できる通信装置及び通信方法を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による通信装置は、
複数のアンテナを有する通信装置であって、
前記複数のアンテナを介して、各アンテナにおける無線信号を受信する無線通信部と、
各アンテナに対応するアンテナウェイトの組合せを複数記憶する記憶部と、
前記複数のアンテナウェイトの組合せの各々に基づいて前記各アンテナで受信された前記無線信号の合成信号をそれぞれ生成すると共に、キャリアセンスを実行し、通信相手との無線通信に使用可能な無線チャネルを判断する制御部とを備え、
前記制御部は、前記キャリアセンスとして、前記複数のアンテナウェイトの組合せの各々に対応した合成信号における通信品質の中で最小値がキャリアセンス閾値未満である場合、受信された前記無線信号に関する無線チャネルを使用可能な無線チャネルであると判断する、
ことを特徴とする通信装置である。

また、前記制御部は、前記無線通信部が通信相手から接続要求の情報を受信した場合に、前記キャリアセンスを実行することが望ましい。

また、前記制御部は、前記無線通信部が通信相手から使用すべき無線チャネルの情報を受信した場合に、前記キャリアセンスを実行することが望ましい。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本発明の第１の発明を方法として実現させた通信方法は、
複数のアンテナを有する通信装置が通信相手との無線通信に使用可能な無線チャネルを判断する通信方法であって、前記通信装置が、
前記複数のアンテナを介して、各アンテナにおける無線信号を受信するステップと、
各アンテナに対応するアンテナウェイトの組合せを複数記憶するステップと、
前記複数のアンテナウェイトの組合せの各々に基づいて前記各アンテナで受信された前記無線信号の合成信号をそれぞれ生成するステップと、
当該それぞれ生成した合成信号における通信品質の中で最小値がキャリアセンス閾値未満である場合、受信された前記無線信号に関する無線チャネルを使用可能な無線チャネルであると判断するステップと
を含む通信方法である。

上記のように構成された本発明に係る通信装置及び通信方法によれば、アンテナウェイトに基づいて生成された合成信号の通信品質とキャリアセンス閾値との比較により、無線チャネルが判断されるため、指向性のあるキャリアセンスが実行されることになる。これにより、ＡＡＳ機能の利用により使用可能な無線チャネルを特定でき、周波数利用効率やＱｏＳ特性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る概略的な無線通信システム構成図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る基地局の概略構成を示す機能ブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るアレイアンテナの指向性の例である。 図４は、本発明の一実施形態に係る基地局の処理を示すフローチャートである。 図５は、従来の概略的な無線通信システム構成図である。

以下、本発明の通信装置を基地局に適用した場合の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る概略的な無線通信システム構成図である。無線通信システム１１は、移動局１０１（１０１ａ及び１０１ｂ）と、複数のアンテナを有する基地局１０３（１０３ａ及び１０３ｂ）とを有する。移動局１０１は、携帯電話やＸＧＰなどにおける無線通信端末である。基地局１０３は、移動局１０１と無線通信を行うものであり、例えば、ＬＴＥ（Long Term Evolution）システムではｅＮＢ（evolved Node B）と称されるものである。図１において、領域１０５ａは、基地局１０３ａのセル（通信可能エリア）を示している。領域１０５ｂは、基地局１０３ｂのセルを示している。移動局１０１ｂは、基地局１０３ｂと無線チャネル（周波数帯域）１０７で通信中であり、移動局１０１ａは、基地局１０３ａとの通信を希望しているものとする。

図２は、本発明の一実施形態に係る基地局の概略構成を示す機能ブロック図である。基地局１０３は、アレイアンテナＡＮＴと、無線通信部１１１と、記憶部１１３と、制御部１１５とで構成されている。

アレイアンテナＡＮＴは、複数のアンテナにより構成され、ビームステアリング機能及びヌルステアリング機能を有するものであり、例えばアダプティブアレイアンテナである。

無線通信部１１１は、アレイアンテナＡＮＴを介して移動局１０１とＲＦ（Radio Frequency）信号（無線信号）を送受信する。

記憶部１１３は、無線通信部１１１が各アンテナにおいて受信した無線信号（受信信号）、複数のアンテナウェイトの組合せ及びキャリアセンス閾値などの各種情報を記憶するものであり、ワークメモリなどとしても機能する。アンテナウェイトとは、アレイアンテナＡＮＴを構成する複数のアンテナ毎の位相や振幅を制御するための重みである。アンテナウェイトは、複数のアンテナ各々に対応して設定されるものであり、アンテナウェイトの組合せにより、ある方向のみにビームを向けるビームステアリングや、ある方向にヌルを向けるヌルステアリングが可能となる。また、絶対値が等しい重みを組み合わせることにより、図３に示されるようなアンテナ位置を中心として点対称な指向性を得ることができる。図３は、アレイアンテナＡＮＴを構成するアンテナが４本の場合の指向性であり、アンテナウェイトの組合せを変えることにより、図３（ａ）〜（ｄ）のように、異なる指向性を実現することができる。図３の円周方向に示されている数字は、角度［°］を意味し、半径上に示されている数字はアンテナの利得（単位は、例えば［dB］、［dBi］）を意味する。アンテナウェイトの組合せの例としては、各アンテナの重みＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４をとすると、（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）＝（１，１，１，１）、又は（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）＝（１，ｉ，１，ｉ）（ｉ：虚数単位）のように選ぶことが挙げられる。

キャリアセンス閾値とは、無線チャネルが使用されているか否かを判定するための指標であり、例えば−７０［dBm］といった値が設定される。キャリアセンス閾値以上の通信品質が測定された無線チャネルは、既に使用されていると判断される。また、キャリアセンス閾値未満の通信品質が測定された無線チャネルは、新たな通信のために割り当てが可能な無線チャネルであると判断される。通信品質とは、例えば電界強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator）である。なお、キャリアセンス閾値との比較対象は、各アンテナにおける受信信号とアンテナウェイトとの演算により求まる合成信号の通信品質である。合成信号ＳＳは、例えば以下の式で求めることができる。なお、Ｓｋは、ｋ番目のアンテナにより受信された信号である。Ｗｋは、ｋ番目のアンテナに設定されているアンテナウェイトである。ｎは、アンテナの数である。

上式（１）のように、各受信信号を対応するアンテナウェイトで乗算し、乗算された値を加算することは、アンテナウェイトにより実現される指向性のアレイアンテナＡＮＴでのキャリアセンスを意味することになる。

制御部１１５は、基地局１０３の各機能ブロックをはじめとして基地局１０３の全体を制御及び管理している。制御部１１５は、ＣＰＵ（中央処理装置）等の任意の好適なプロセッサ上で実行されるソフトウェアとして構成したり、処理ごとに特化した専用のプロセッサ（例えばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ））によって構成したりすることもできる。制御部１１５の行う処理については、後述の図４の説明にて詳述する。

続いて、図１に示される基地局１０３ａが通信相手となる移動局１０１ａとの無線通信に使用可能な無線チャネルを判断する方法について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る基地局の処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、アレイアンテナＡＮＴは、４本のアンテナを有するものとする。また、図２の基地局１０３に示した各機能ブロックに関する参照符号として、基地局１０３ａに関する機能ブロックの参照符号にはａを付して説明する。

移動局１０１ａが、通信を希望する場合、移動局１０１ａは、接続要求の情報を有する信号を発信する。基地局１０３ａの無線通信部１１１ａがこの接続要求の情報を受信すると、基地局１０３ａの制御部１１５ａは、基地局１０３ａのセル内で電波を発している通信装置からの無線信号を受信する（ステップＳ１０１）。つまり、本実施形態では、基地局１０３ａの無線通信部１１１ａは、アレイアンテナＡＮＴａの各アンテナを介して移動局１０１ｂからの無線信号を受信する。

そして、制御部１１５ａは、受信された無線信号（受信信号）を記憶部１１３ａに記憶させる（ステップＳ１０２）。本実施形態では、４本のアンテナを有するアレイアンテナを想定しているので、移動局１０１ｂからの無線信号に関して４つの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が記憶部１１３ａに記憶される。

続いて、制御部１１５ａは、基地局１０３ａの記憶部１１３ａに予め保存されているキャリアセンスのためのアンテナウェイトを読み出す（ステップＳ１０３）。制御部１１５ａは、キャリアセンスのためのアンテナウェイトとして、アンテナ毎に絶対値が等しい重みの組み合わせを複数読み出すことになる。本実施形態では、図３に示されるような指向性を実現するための４種類の重みの組み合わせを読み出すとする。図３（ａ）で使用されるアンテナウェイトは、（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）＝（Ｗａ１，Ｗａ２，Ｗａ３，Ｗａ４）であるとする。図３（ｂ）で使用されるアンテナウェイトは、（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）＝（Ｗｂ１，Ｗｂ２，Ｗｂ３，Ｗｂ４）であるとする。図３（ｃ）で使用されるアンテナウェイトは、（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）＝（Ｗｃ１，Ｗｃ２，Ｗｃ３，Ｗｃ４）であるとする。図３（ｄ）で使用されるアンテナウェイトは、（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）＝（Ｗｄ１，Ｗｄ２，Ｗｄ３，Ｗｄ４）であるとする。

制御部１１５ａは、４種類の読み出したアンテナウェイトの組合せの各々に基づいて、記憶された受信信号の合成信号を生成する（ステップＳ１０４）。具体的には、上記の数式（１）に基づいて以下の４つの合成信号ＳＳａ、ＳＳｂ、ＳＳｃ、ＳＳｄが生成される。

続いて、制御部１１５ａは、合成信号各々について通信品質を求め、通信品質の最小値を特定する（ステップＳ１０５）。例えば、移動局１０１ｂが基地局１０３ａを中心として３００°の方向に位置しているとする。３００°の方向の受信感度が最も弱い指向性は、図３（ｄ）であると考えられるため、ＳＳｄの通信品質が最小値になる可能性が高い。

そして、制御部１１５ａは、特定された最小値と記憶部１１３ａに記憶されているキャリアセンス閾値とを比較する（ステップＳ１０６）。

特定された最小値がキャリアセンス閾値未満の場合（ステップＳ１０６のＹｅｓ）、制御部１１５ａは、移動局１０１ｂが使用する無線チャネル１０７は移動局１０１ａとの無線通信に使用可能な無線チャネルであると判断する（ステップＳ１０７）。つまり、基地局１０３ａは、移動局１０１ａに無線チャネル１０７を割り当てて通信を開始することができる。

特定された最小値がキャリアセンス閾値以上の場合（ステップＳ１０６のＮｏ）、制御部１１５ａは、移動局１０１ｂが使用する無線チャネル１０７は、移動局１０１ａとの無線通信に使用不可能な無線チャネルであると判断する（ステップＳ１０８）。つまり、基地局１０３ａは、移動局１０１ａに無線チャネル１０７以外の無線チャネルを割り当てて通信を開始するか、無線チャネル１０７が空くまで移動局１０１ａを待機させることになる。

このように本実施形態では、制御部１１５ａは、キャリアセンスとして、複数のアンテナウェイトの組合せの各々に基づいて各アンテナで受信された無線信号の合成信号を複数生成し、当該生成した複数の合成信号ＳＳａ〜ＳＳｄの通信品質の最小値がキャリアセンス閾値未満である場合、受信された無線信号に関する無線チャネル１０７を使用可能な無線チャネルであると判断する。つまり、制御部１１５ａは、アンテナウェイトによって、指向性を有する受信感度に基づいてキャリアセンスを実行する。指向性のあるキャリアセンス結果のうち１つでもキャリアセンス閾値未満となれば、ＡＡＳ機能により、干渉の影響を抑えて同一チャネル１０７を使用することが可能である。よって、従来の無指向性のキャリアセンスによって使用不可能と判断される無線チャネルについても使用可能な無線チャネルと判断されることがあり、周波数利用効率やＱｏＳ（Quality of Service）特性を向上させることができる。

また、本実施形態では、制御部１１５ａは、無線通信部１１１ａが通信相手となる移動局１０１ａから接続要求の情報を受信した場合に、キャリアセンスを実行することができる。通信環境は時々刻々と変化するものであるが、制御部１１５ａは、接続要求時の通信環境に基づいて使用可能な無線チャネルを判断し、通信相手に割り当てることができる。これにより、使用可能であると判断された無線チャネルが通信環境の変化で突如干渉を引き起こすことになるという可能性を低く抑えられる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

上記の実施形態においては、本発明の通信装置を基地局に適用した場合について説明したが、本発明は、基地局に限定されるものではない。本発明は、複数アンテナにより構成されるアレイアンテナを有し、キャリアセンスを実行できる移動局に適用することもできる。本発明が適用された移動局は、通信相手となる基地局から自局が使用すべき無線チャネルの情報が送られてきた場合、当該無線チャネルが移動局の周囲の環境と照らし合わせて干渉を引き起こすか否かを確認することができる。これにより、干渉原因となる無線チャネルが使用される可能性を低く抑えられ、移動局は、安定した通信を実現できる。

また、上述の本発明の実施形態の説明において、例えば、キャリアセンス閾値「以上」またはキャリアセンス閾値「未満」のような表現の技術的思想が意味する内容は必ずしも厳密な意味ではなく、通信装置の仕様に応じて、基準となる値を含む場合又は含まない場合の意味を包含するものとする。例えば、キャリアセンス閾値「以上」とは、キャリアセンス結果がキャリアセンス閾値に達した場合のみならず、キャリアセンス閾値を超えた場合も含意し得るものとする。また、例えばキャリアセンス閾値「未満」とは、キャリアセンス結果がキャリアセンス閾値を下回った場合のみならず、キャリアセンス閾値に達した場合、つまりキャリアセンス閾値以下になった場合も含意し得るものとする。

１１ 無線通信システム
１０１ａ、１０１ｂ 移動局
１０３、１０３ａ、１０３ｂ 基地局
１０５ａ、１０５ｂ 領域（セル）
１０７ 無線チャネル
１１１ 無線通信部
１１３ 記憶部
１１５ 制御部
ＡＮＴ アレイアンテナ

Claims (4)

1. 複数のアンテナを有する通信装置であって、
   前記複数のアンテナを介して、各アンテナにおける無線信号を受信する無線通信部と、
   各アンテナに対応するアンテナウェイトの組合せを複数記憶する記憶部と、
   前記複数のアンテナウェイトの組合せの各々に基づいて前記各アンテナで受信された前記無線信号の合成信号をそれぞれ生成すると共に、キャリアセンスを実行し、通信相手との無線通信に使用可能な無線チャネルを判断する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記キャリアセンスとして、前記複数のアンテナウェイトの組合せの各々に対応した合成信号における通信品質の中で最小値がキャリアセンス閾値未満である場合、受信された前記無線信号に関する無線チャネルを使用可能な無線チャネルであると判断する、
   ことを特徴とする通信装置。
2. 請求項１に記載の通信装置において、前記制御部は、前記無線通信部が通信相手から接続要求の情報を受信した場合に、前記キャリアセンスを実行することを特徴とする通信装置。
3. 請求項１に記載の通信装置において、前記制御部は、前記無線通信部が通信相手から使用すべき無線チャネルの情報を受信した場合に、前記キャリアセンスを実行することを特徴とする通信装置。
4. 複数のアンテナを有する通信装置が通信相手との無線通信に使用可能な無線チャネルを判断する通信方法であって、前記通信装置が、
   前記複数のアンテナを介して、各アンテナにおける無線信号を受信するステップと、
   各アンテナに対応するアンテナウェイトの組合せを複数記憶するステップと、
   前記複数のアンテナウェイトの組合せの各々に基づいて前記各アンテナで受信された前記無線信号の合成信号をそれぞれ生成するステップと、
   当該それぞれ生成した合成信号における通信品質の中で最小値がキャリアセンス閾値未満である場合、受信された前記無線信号に関する無線チャネルを使用可能な無線チャネルであると判断するステップと
   を含む通信方法。

Images